CN111273345B - 一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，包括以下步骤：S1.采集记录待处理的地震原始数据；S2.对地震原始数据进行时频分析，得到地震原始数据的时频谱；S3.计算时频瞬时相位和高精度时频瞬时相位；S4.通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率；S5.计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果。本发明通过时频分析得到地震数据的时频谱，计算出时频瞬时相位和高精度时频瞬时相位，然后通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率，进而得到高精度和高分辨率的挤压时频谱，能够获得高精度和高分辨率的同步挤压变换效果，对于地震数据的处理具有良好的稳定性和较高的精度。

Description

一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法
技术领域
本发明属于地震资料数字处理领域，特别是涉及一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法。
背景技术
同步挤压变换具有很好的时频分辨率，已经被广泛应用于数字信号处理的各个方面。同步挤压变换能够将非线性和非平稳信号分解为一系列的固有模态函数，其中，固有模态函数可被认为是一系列有着准确数学定义的近似简谐波成分的组合。
目前用于获取地震信号属性提取的方法有短时傅里叶变换(STFT)、S变换，广义S变换，小波变换，改进的短时傅里叶变换和同步挤压变换(SST)。SST变换能够沿着频率方向对时频谱进行挤压实现时频谱重排，使得时频能量聚焦到信号的真实瞬时频率，提高了时频谱的时频分辨率。因此，同步挤压变换更适合非线性和非平稳信号的分析和处理。
但是，基于时频瞬时振幅的同步挤压变换受到时间采样间隔的影响，若时间采样间隔过大，得到不正确的挤压时频谱；基于时频瞬时相位的同步挤压变换受到相位的周期跳跃的影响，降低挤压时频谱的精度，这些将影响后续的地震资料处理与解释。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，能够得到高精度和高分辨率的挤压时频谱，提高了地震数据的处理的稳定性和精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，包括以下步骤：
S1.采集记录待处理的地震原始数据；
S2.对地震原始数据进行时频分析，得到地震原始数据的时频谱G(t,f)；
S3.计算时频瞬时相位θ(t,f)和高精度时频瞬时相位θh(t,f)；
S4.通过高精度时频瞬时相位θh(t,f)计算高精度瞬时频率Vh(t,f)；
S5.计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果Sh(t,v)。
优选地，上述步骤给出的方法是对于单条地震原始数据的处理方法，在存在多条待处理的地震原始数据时，按照步骤S1～S5分别对每一条地震原始数据进行处理即可。
其中，所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.对地震原始数据(包括地震数据中的地震信号)进行解析，得到地震原始数据的解析信号z(t)；对地震原始数据的解析方法为Hilbert变换；即通过Hilbert变换将地震信号变换为对应的解析信号；
S202.对地震原始数据的解析信号z(t)进行改进的短时傅里叶变换，得到地震原始数据的时频谱G(t,f)，改进的短时傅里叶变换表示为：
Figure GDA0003069952340000021
其中，t表示时间；f表示频率；τ是时移量；p(t)表示时窗函数；
Figure GDA0003069952340000022
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.计算时频瞬时相位θ(t,f)；
Figure GDA0003069952340000023
其中，Im[]和Re[]分别表示取时频谱G(t,f)的虚部和实部。
S302.计算高精度时频瞬时相位θh(t,f)；
Figure GDA0003069952340000024
其中，Δt表示时间采样间隔；表示取绝对值；Δθ(t,f)为时频瞬时相位增量，表示为：
Δθ(t,f)＝θ(t,f)-θ(t-Δt,f)。
所述步骤S4中：通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率Vh(t,f)的方式如下；
Figure GDA0003069952340000025
所述步骤S5中计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果Sh(t,v)方式如下；
Sh(t,v)＝∫G(t,f)df,ifVh(t,f)∈[v-Δv,v+Δv]
其中，v表示同步挤压变换结果中的频率；Δv表示频率增量。
本发明的有益效果是：本发明通过时频分析得到地震数据的时频谱，计算出时频瞬时相位和高精度时频瞬时相位，然后通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率，进而得到高精度和高分辨率的挤压时频谱，能够获得高精度和高分辨率的同步挤压变换效果，对于地震数据的处理具有良好的稳定性和较高的精度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为实施例中余弦信号时频瞬时振幅谱、时频瞬时相位谱以及对应的同步挤压变换结果示意图；
图3为实施例中余弦信号高精度时频瞬时相位谱及对应的同步挤压变换结果示意图；
图4为实施例中实际地震剖面不同方式的同步挤压变换结果比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明主要通过时频分析得到地震数据的时频谱，计算时频瞬时相位和高精度时频瞬时相位，然后通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率，进而得到高精度和高分辨率的挤压时频谱，具体地：
如图1所示，一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，包括以下步骤：
S1.采集记录待处理的地震原始数据；
S2.对地震原始数据进行时频分析，得到地震原始数据的时频谱G(t,f)；
S3.计算时频瞬时相位θ(t,f)和高精度时频瞬时相位θh(t,f)；
S4.通过高精度时频瞬时相位θh(t,f)计算高精度瞬时频率Vh(t,f)；
S5.计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果Sh(t,v)，v表示同步挤压变换结果中的频率。
如图2所示，图2(a)和2(b)分别展示了50Hz余弦信号的时频瞬时振幅谱和时频瞬时相位谱，时频瞬时振幅谱和时频瞬时相位谱能量聚焦于50Hz附近，时频瞬时相位谱上存在4个相位周期跳跃点。图2(c)和2(d)分别表示时间采样间隔为2ms和4ms的基于时频瞬时振幅的同步挤压变换。基于时频瞬时振幅的同步挤压变换的结果受到时间采样间隔的影响，导致不正确的挤压时频谱。图2(e)和2(f)分别表示时间采样间隔为2ms和4ms的基于时频瞬时相位的同步挤压变换。基于时频瞬时相位的同步挤压变换的时频谱聚焦于真实频率轴上，但是在相位周期跳跃点，出现误差。
如图3所示，图3(a)为50Hz余弦信号的高精度时频瞬时相位谱，消除了相位的周期跳跃，使的相位更加连续。图3(b)和3(c)分别表示时间采样间隔为2ms和4ms的基于高精度时频瞬时相位的同步挤压变换，可见，获得的挤压时频谱没有受到相位周期跳跃的影响，具有很高的精度。在上述实施例中，图2和图3对应于同一个50Hz余弦信号。
如图4所示，图4(a)为实际地震剖面。图4(b)和4(c)分别表示单道数据的时频瞬时振幅谱和时频瞬时相位谱。图4(d)和4(e)分别表示基于时频瞬时相位和高精度时频瞬时相位的同步挤压变换。图4(e)在箭头所示处具有更高的精度和更好的连续性。图4(f)表示图4e与图4d的残差，可见图4(e)中高精度时频瞬时相位的同步挤压变换，包含更多的时频信息，具有更高的精度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.采集记录待处理的地震原始数据；
S2.对地震原始数据进行时频分析，得到地震原始数据的时频谱G(t,f)，其中t表示时间；f表示频率；
S3.计算时频瞬时相位θ(t,f)和高精度时频瞬时相位θh(t,f)；
所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.计算时频瞬时相位θ(t,f)；
Figure FDA0003069952330000011
其中，Im[]和Re[]分别表示取时频谱G(t,f)的虚部和实部；
S302.计算高精度时频瞬时相位θh(t,f)；
Figure FDA0003069952330000012
其中，Δt表示时间采样间隔；||表示取绝对值；Δθ(t,f)为时频瞬时相位增量，表示为：
Δθ(t,f)＝θ(t,f)-θ(t-Δt,f)；
S4.通过高精度时频瞬时相位θh(t,f)计算高精度瞬时频率Vh(t,f)；
所述步骤S4中：通过高精度时频瞬时相位计算高精度瞬时频率Vh(t,f)的方式如下；
Figure FDA0003069952330000013
S5.计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果Sh(t,v)，v表示同步挤压变换结果中的频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.对地震原始数据进行解析，得到地震原始数据的解析信号z(t)，其中对地震原始数据的解析方法为Hilbert变换；
S202.对地震原始数据的解析信号z(t)进行改进的短时傅里叶变换，得到地震原始数据的时频谱G(t,f)，改进的短时傅里叶变换表示为：
Figure FDA0003069952330000021
其中，t表示时间；f表示频率；τ是时移量；p(t)表示时窗函数；
Figure FDA0003069952330000022
3.根据权利要求1所述的一种基于高精度时频瞬时相位的地震数据时频谱处理方法，其特征在于：所述步骤S5中计算高精度时频瞬时相位的同步挤压变换结果Sh(t,v)方式如下；
Sh(t,v)＝∫G(t,f)df,if Vh(t,f)∈[v-Δv,v+Δv]
其中，Δv表示频率增量。
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